Вселената: определение, произход (Големият взрив), структура и наблюдения

Хората отдавна имат идеи за обяснение на Вселената. Според повечето ранни модели Земята е в центъра на Вселената. Това е известно като геоцентризъм. Някои древни гърци са смятали, че Вселената има безкрайно пространство и е съществувала вечно. Те смятали, че тя има набор от небесни сфери, които съответстват на неподвижните звезди, Слънцето и различните планети. Сферите обикаляли около кръгла, но неподвижна Земя.

В продължение на стотици години по-добрите наблюдения довеждат до модела на Коперник, който е съсредоточен върху Слънцето и е известен като хелиоцентризъм. По онова време този модел е много противоречив и е обект на борба от страна на религиозните власти, най-вече от страна на християнската църква (вж. Джордано Бруно и Галилей).

Изобретяването на телескопа в Нидерландия през 1608 г. е много важен момент в астрономията. Към средата на XIX в. телескопите са достатъчно добри, за да могат да се видят други галактики. Съвременният оптичен (използващ видима светлина) телескоп е все още по-усъвършенстван. Междувременно Исак Нютон усъвършенства идеите за гравитацията и динамиката (уравненията) и показва как функционира Слънчевата система.

През 1900 г. още по-добрите телескопи позволяват на астрономите да разберат, че Слънчевата система се намира в галактика, съставена от милиарди звезди, която наричаме Млечен път. Те също така осъзнават, че извън нея съществуват и други галактики, доколкото можем да видим. Това постави началото на нов вид астрономия, наречена космология, в която астрономите изучават от какво са изградени тези галактики и как са разположени, за да могат да научат повече за историята на Вселената и нейното функциониране. Чрез измерване на червеното отместване на галактиките космолозите скоро откриха, че Вселената се разширява (вж.: Хъбъл).

Големият взрив

Най-използваният научен модел на Вселената е известен като теорията за Големия взрив, според която Вселената се е разширила от една точка, в която са се намирали цялата материя и енергия на Вселената. Съществуват много видове научни доказателства, които подкрепят идеята за Големия взрив. Астрономите смятат, че Големият взрив се е случил преди около 13,73 милиарда години, което прави Вселената на 13,73 милиарда години. Оттогава насам Вселената се е разширила и е достигнала диаметър от поне 93 милиарда светлинни години, или 8,80 ×10 ²⁶метра. Тя продължава да се разширява и в момента, като разширяването става все по-бързо.

Въпреки това астрономите все още не са сигурни какво причинява разширяването на Вселената. Поради това астрономите наричат мистериозната енергия, която причинява разширяването, тъмна енергия. Изследвайки разширяването на Вселената, астрономите също така осъзнават, че по-голямата част от материята във Вселената може да е във форма, която не може да бъде наблюдавана от научното оборудване, с което разполагаме. Тази материя е наречена тъмна материя. Само за да уточним, че тъмната материя и енергия не са наблюдавани пряко (затова се наричат "тъмни"). Въпреки това много астрономи смятат, че те трябва да съществуват, тъй като много астрономически наблюдения биха били трудно обясними, ако не съществуваха.

Някои части на Вселената се разширяват дори по-бързо от скоростта на светлината. Това означава, че светлината никога няма да може да достигне до нас тук, на Земята, така че ние никога няма да можем да видим тези части на Вселената. Частта от Вселената, която можем да видим, наричаме наблюдаема Вселена.

Думата Вселена произлиза от старофренската дума Univers, която идва от латинската дума universum. Латинската дума е използвана от Цицерон и по-късните латински автори в много от същите значения, в които се използва и съвременната английска дума.

Различно тълкуване (начин на тълкуване) на unvorsum е "всичко се върти като едно" или "всичко се върти с едно". Това се отнася до един ранен гръцки модел на Вселената. В този модел цялата материя се е намирала във въртящи се сфери с център Земята; според Аристотел въртенето на най-външната сфера е било причина за движението и промяната на всичко в нея. За гърците е било естествено да приемат, че Земята е неподвижна и че небето се върти около Земята, тъй като за доказване на противното са необходими внимателни астрономически и физични измервания (като например махалото на Фуко).

Най-разпространеният термин за "Вселена" сред древногръцките философи от Питагор насам е το παν (Всичко), определян като цялата материя (το ολον) и цялото пространство (το κενον).

Най-широко значение

Най-широкото значение на думата "Вселена" се съдържа в De divisione naturae на средновековния философ Йоханес Скот Ериугена, който я определя просто като всичко: всичко, което съществува, и всичко, което не съществува.

В определението на Ериугена времето не е взето под внимание; следователно неговото определение включва всичко, което съществува, съществувало е и ще съществува, както и всичко, което не съществува, никога не е съществувало и никога няма да съществува. Това всеобхватно определение не е възприето от повечето по-късни философи, но нещо подобно има в квантовата физика.

Определение като реалност

Обикновено се смята, че Вселената е всичко, което съществува, съществувало е и ще съществува. Това определение гласи, че Вселената е съставена от два елемента: пространство и време, известни заедно като пространство-време или вакуум; и материя и различни форми на енергия и импулс, заемащи пространство-времето. Двата вида елементи се държат в съответствие с физичните закони, в които описваме как елементите си взаимодействат.

Подобно определение на понятието "Вселена" е всичко, което съществува в един момент от време, например в настоящето или в началото на времето, както в изречението "Вселената е била с размер 0".

В книгата на Аристотел "Физика" Аристотел разделя το παν (всичко) на три приблизително аналогични елемента: материя (материалът, от който е изградена Вселената), форма (разположението на тази материя в пространството) и промяна (как материята се създава, унищожава или променя свойствата си и по същия начин как се променя формата). Физичните закони са правилата, които управляват свойствата на материята, формата и техните промени. По-късно философи като Лукреций, Авероес, Авицена и Барух Спиноза променят или усъвършенстват тези разделения. Например Авероес и Спиноза имат активни принципи, управляващи Вселената, които действат върху пасивните елементи.

Определения за пространство-време

Възможно е да се образуват пространствено-времеви пространства, всяко от които съществува, но не може да се докосва, движи или променя (взаимодейства помежду си). Лесен начин да си представим това е група от отделни сапунени мехури, в които хората, живеещи в един сапунен мехур, не могат да взаимодействат с тези в други сапунени мехури. Според една обща терминология всеки "сапунен мехур" от пространство-времето се обозначава като Вселена, докато нашето конкретно пространство-време се обозначава като Вселена, точно както наричаме нашата Луна Луна. Цялата съвкупност от тези отделни пространство-времена се обозначава като мултивселена. По принцип другите несвързани вселени могат да имат различни измерения и топологии на пространство-времето, различни форми на материята и енергията, както и различни физични закони и физични константи, въпреки че подобни възможности са спекулации.

Наблюдавана реалност

Според едно още по-ограничено определение Вселената е всичко в рамките на свързаното с нас пространство-време, което би могло да взаимодейства с нас и обратно.

Според общата идея на относителността някои области на пространството може никога да не взаимодействат с нашето, дори през целия живот на Вселената, поради крайната скорост на светлината и продължаващото разширяване на пространството. Например радиосъобщенията, изпратени от Земята, може никога да не достигнат до някои региони на пространството, дори ако Вселената съществува вечно; пространството може да се разширява по-бързо, отколкото светлината може да го прекоси.

Струва си да се подчертае, че тези отдалечени области на пространството се приемат за съществуващи и за част от реалността, както и ние, но ние никога не можем да взаимодействаме с тях, дори по принцип. Пространственият регион, в който можем да влияем и да бъдем повлияни, се обозначава като наблюдаемата вселена.

Строго погледнато, наблюдаемата Вселена зависи от местоположението на наблюдателя. Пътувайки, един наблюдател може да влезе в контакт с по-голяма област от пространство-времето, отколкото наблюдател, който остава неподвижен, така че наблюдаемата Вселена за първия е по-голяма, отколкото за втория. Въпреки това дори и най-бързият пътник може да не успее да взаимодейства с цялото пространство. Обикновено под "наблюдаема Вселена" се разбира Вселената, която се вижда от нашата гледна точка в галактиката Млечен път.

Вселената е огромна и вероятно безкрайна по обем. Материята, която може да бъде видяна, се разпростира в пространство с диаметър най-малко 93 милиарда светлинни години. За сравнение, диаметърът на една типична галактика е само 30 000 светлинни години, а типичното разстояние между две съседни галактики е само 3 милиона светлинни години. Като пример, нашата галактика Млечен път е с диаметър около 100 000 светлинни години, а най-близката ни сестринска галактика, галактиката Андромеда, се намира на около 2,5 милиона светлинни години. Наблюдаемата Вселена съдържа повече от 2 трилиона (10¹² ) галактики и общо около 1×10²⁴ звезди (повече звезди от всички песъчинки на планетата Земя).

Типичните галактики варират от галактики джуджета с едва десет милиона звезди (10⁷ ) до гиганти с един трилион звезди (10¹² ), които обикалят около центъра на масата на галактиката. Така, по много груба оценка на тези цифри, в наблюдаемата Вселена има около един секстилион (10²¹ ) звезди; въпреки че в резултат на проучване от 2003 г., проведено от астрономи на Австралийския национален университет, цифрата е 70 секстилиона (7 x 10 ). ²²

Веществото, което може да се види, е разпръснато из цялата Вселена, когато се осредни на разстояния, по-големи от 300 милиона светлинни години. На по-малките мащаби обаче се наблюдава, че материята образува "струпвания", много атоми са кондензирани в звезди, повечето звезди - в галактики, повечето галактики - в галактически групи и купове, и накрая - най-мащабните структури като Великата стена на галактиките.

Общата плътност на Вселената в момента е много ниска - около 9,9 × 10⁻³⁰ грама на кубичен сантиметър. Изглежда, че тази маса-енергия се състои от 73 % тъмна енергия, 23 % студена тъмна материя и 4 % обикновена материя. Плътността на атомите е около един водороден атом на всеки четири кубични метра обем. Свойствата на тъмната енергия и тъмната материя не са известни. Тъмната материя забавя разширяването на Вселената. Тъмната енергия ускорява нейното разширяване.

Вселената е стара и се променя. Най-доброто добро предположение за възрастта на Вселената е 13,798±0,037 милиарда години въз основа на наблюдаваното космическо микровълново фоново лъчение. Независимите оценки (основани на измервания като радиоактивно датиране) са съгласни, въпреки че са по-малко точни и варират от 11 до 20 млрд. години. до 13-15 млрд. години.

Вселената не е била една и съща през всички периоди от своята история. Това уголемяване обяснява как хората, живеещи на Земята, могат да виждат светлината от галактика, отдалечена на 30 милиарда светлинни години, дори ако тази светлина е пътувала само 13 милиарда години; самото пространство между тях се е разширило. Това разширяване е в съответствие с наблюдението, че светлината от далечните галактики е изместена в червено; излъчените фотони са се разтеглили до по-дълги вълни и по-ниска честота по време на пътуването си. Скоростта на това пространствено разширяване се ускорява, както се вижда от изследванията на свръхнови от тип Ia и други данни.

Относителните количества на различните химични елементи - особено на най-леките атоми като водород, деутерий и хелий - изглежда са идентични в цялата Вселена и през цялата й история, която познаваме. Изглежда, че във Вселената има много повече материя, отколкото антиматерия. Изглежда, че във Вселената няма нетен електрически заряд. Гравитацията е доминиращото взаимодействие на космологични разстояния. Изглежда, че Вселената няма и нетен импулс или ъглов момент. Липсата на нетен заряд и импулс е очаквана, ако Вселената е крайна.

Изглежда, че Вселената има гладък пространствено-времеви континуум, съставен от три пространствени измерения и едно времево (времево) измерение. Средно пространството е почти плоско (с почти нулева кривина), което означава, че Евклидовата геометрия е експериментално вярна с висока точност в по-голямата част от Вселената. Вселената обаче може да има повече измерения и нейното пространство-време да има многократно свързана глобална топология.

Във Вселената действат едни и същи физични закони и физични константи. Според преобладаващия Стандартен модел на физиката цялата материя е съставена от три поколения лептони и кварки, които са фермиони. Тези елементарни частици си взаимодействат чрез най-много три фундаментални взаимодействия: електрослабото взаимодействие, което включва електромагнетизма и слабата ядрена сила; силната ядрена сила, описана от квантовата хромодинамика, и гравитацията, която понастоящем се описва най-добре от общата теория на относителността.

Специалната теория на относителността важи за цялата Вселена в локалното пространство и време. В противен случай важи общата относителност. Няма обяснение за конкретните стойности, които физичните константи изглежда имат в цялата Вселена, като например константата на Планк h или гравитационната константа G. Определени са няколко закона за запазване, като например запазване на заряда, запазване на импулса, запазване на ъгловия момент и запазване на енергията.

Обща теория на относителността

Точните прогнози за миналото и бъдещето на Вселената изискват точна теория за гравитацията. Най-добрата налична теория е общата теория на относителността на Алберт Айнщайн, която досега е преминала успешно всички експериментални тестове. Въпреки това, тъй като не са провеждани строги експерименти в космологични мащаби, общата теория на относителността може да се окаже неточна. Въпреки това нейните прогнози изглеждат съвместими с наблюденията, така че няма причина да се приеме друга теория.

Общата теория на относителността съдържа набор от десет нелинейни частни диференциални уравнения за метриката на пространство-времето (полевите уравнения на Айнщайн), които трябва да бъдат решени въз основа на разпределението на масата, енергията и импулса във Вселената. Тъй като те не са известни в точни детайли, космологичните модели се основават на космологичния принцип, който гласи, че Вселената е хомогенна и изотропна. На практика този принцип твърди, че гравитационните ефекти на различните галактики, изграждащи Вселената, са еквивалентни на тези на фин прах, разпределен равномерно в цялата Вселена с еднаква средна плътност. Предположението за еднороден прах улеснява решаването на полевите уравнения на Айнщайн и предсказването на миналото и бъдещето на Вселената в космологични мащаби.

Полевите уравнения на Айнщайн включват космологична константа (Ламда: Λ), която е свързана с енергийната плътност на празното пространство. В зависимост от знака си космологичната константа може да забави (отрицателен Λ) или да ускори (положителен Λ) разширяването на Вселената. Въпреки че много учени, включително Айнщайн, са предполагали, че Λ е нула, последните астрономически наблюдения на свръхнови от тип Ia откриха голямо количество тъмна енергия, която ускорява разширяването на Вселената. Предварителните изследвания показват, че тази тъмна енергия е свързана с положителна стойност на Λ, въпреки че все още не могат да бъдат изключени алтернативни теории.

Модел на Големия взрив

Преобладаващият модел на Големия взрив обяснява много от експерименталните наблюдения, описани по-горе, като например корелацията между разстоянието и червеното отместване на галактиките, универсалното съотношение между водородните и хелиевите атоми и вездесъщия изотропен микровълнов радиационен фон. Както беше отбелязано по-горе, червеното отместване се дължи на метричното разширяване на пространството; с разширяването на самото пространство дължината на вълната на фотона, пътуващ в пространството, също се увеличава, като намалява неговата енергия. Колкото по-дълго е пътувал един фотон, толкова по-голямо разширение е претърпял; следователно по-старите фотони от по-далечни галактики са с най-голямо червено отместване. Определянето на зависимостта между разстоянието и червеното отместване е важен проблем в експерименталната физическа космология.

Други експериментални наблюдения могат да бъдат обяснени чрез съчетаване на цялостното разширяване на пространството с ядрената и атомната физика. С разширяването на Вселената енергийната плътност на електромагнитното излъчване намалява по-бързо, отколкото тази на материята, тъй като енергията на фотона намалява с дължината на вълната му. Така, въпреки че сега енергийната плътност на Вселената е доминирана от материята, някога тя е била доминирана от лъчението; поетично казано, всичко е било светлина. С разширяването на Вселената нейната енергийна плътност намаляла и тя станала по-хладна; по този начин елементарните частици на материята могли да се свързват стабилно във все по-големи комбинации. Така в началото на епохата, доминирана от материята, се образуват стабилни протони и неутрони, които след това се свързват в атомни ядра. На този етап материята във Вселената е представлявала предимно гореща, плътна плазма от отрицателни електрони, неутрални неутрино и положителни ядра. Ядрените реакции между ядрата са довели до сегашното изобилие на по-леките ядра, по-специално водород, деутерий и хелий. В крайна сметка електроните и ядрата се комбинират, за да образуват стабилни атоми, които са прозрачни за повечето дължини на вълните на лъчението; в този момент лъчението се отделя от материята, образувайки повсеместния, изотропен фон на микровълновото лъчение, наблюдаван днес.

Други наблюдения не намират ясен отговор в известната физика. Според преобладаващата теория лек дисбаланс между материята и антиматерията е съществувал при създаването на Вселената или се е развил много скоро след това. Макар че материята и антиматерията в по-голямата си част са анихилирали една в друга, произвеждайки фотони, малък остатък от материя е оцелял, давайки сегашната Вселена, доминирана от материя.

Няколко доказателствени линии също така сочат, че бързата космическа инфлация на Вселената е настъпила много рано в нейната история (около 10⁻³⁵ секунди след нейното създаване). Последните наблюдения показват също, че космологичната константа (Λ) не е нула и че нетното масово-енергийно съдържание на Вселената е доминирано от тъмна енергия и тъмна материя, които не са характеризирани научно. Те се различават по своите гравитационни ефекти. Тъмната материя гравитира както обикновената материя и по този начин забавя разширяването на Вселената; за разлика от нея тъмната енергия служи за ускоряване на разширяването на Вселената.

Хипотеза за мултивселената

Някои хора смятат, че има повече от една вселена. Те смятат, че съществува съвкупност от вселени, наречена мултивселена. По дефиниция няма начин нещо в една вселена да повлияе на нещо в друга. Мултивселената все още не е научна идея, защото няма начин да бъде проверена. Идея, която не може да бъде проверена или не се основава на логика, не е наука. Така че не е известно дали мултивселената е научна идея.

Това е научна тема, наречена "Крайната съдба на Вселената". Това е тема от космологията. Съществуват възможни сценарии за нейната еволюция. Основният въпрос е дали нейното съществуване е крайно или безкрайно.

Бъдещето на Вселената е загадка. Въпреки това има няколко теории, основани на възможните форми на Вселената:

• Ако Вселената е затворена сфера, тя ще спре да се разширява. Вселената ще направи обратното и ще се превърне в сингулярност за друг Голям взрив. Това е теорията за Големия срив или Големия взрив.
• Ако Вселената е отворена сфера, тя ще ускори разширяването си. След 22 000 000 000 000 (22 милиарда) години Вселената ще се разкъса от силата. Това е теорията за Голямото разкъсване.
• Ако Вселената е плоска, тя ще се разширява вечно. Всички звезди ще загубят енергията си.
• След един гугол години черните дупки също ще изчезнат. Това е теорията за топлинната смърт на Вселената или теорията за голямото замразяване.
• Възможно е да се появи случаен "мозък на Болцман", а случайните квантови флуктуации и квантовото тунелиране да генерират нов Голям взрив след невероятно много време. В продължение на безкрайно дълго време би могло да се наблюдава и намаляване на ентропията по силата на теоремата за повторяемостта на Поанкаре или чрез топлинни флуктуации.

Космолозите са единодушни, че формата на Вселената е "плоска" (успоредните линии остават успоредни) и ще продължи да се разширява вечно.